Para saintis Cari Masalah Baru: Kuantum Spin Cecair

Pakar fizik di Makmal Kebangsaan Oak Ridge di Tennessee dan University of Cambridge bersama-sama menemui keadaan baru. Penemuan teruk, dilaporkan dalam jurnal Alam, terperinci pemerhatian keadaan lama tetapi sukar difahami yang dikenali sebagai "cecair spin kuantum" - di mana elektron-elektron nampaknya pecah menjadi kepingan yang lebih kecil.

"Ini adalah keadaan kuantum yang baru, yang telah diramalkan tetapi belum dapat dilihat sebelum ini," kata Johannes Knolle, seorang saintis di Laboratorium Cavendish Cambridge dan salah seorang pengarang makalah, dalam siaran berita.

Sesiapa yang mempunyai pengetahuan asas tentang fizik tahu terdapat tiga perkara utama: pepejal, cecair, dan gas. Orang yang mempunyai pengetahuan yang lebih sedikit mungkin mengetahui dua negeri klasik yang lain: plasmas (zarah yang dikenakan secara percuma yang membentuk peristiwa tenaga yang tinggi), dan koloid ("betweens" membentuk dua keadaan sekaligus, seperti mentega).

Namun terdapat lebih daripada sedozen negeri lain yang ada, yang hanya boleh dilihat pada skala yang sangat kecil atau di bawah peristiwa-peristiwa yang sangat fenomenal. Salah satu daripada ini adalah cecair kuantum spin: keadaan yang kacau yang memerlukan sedikit penjelasan sebelum anda benar-benar boleh mendapatkan kepala anda tentang apa yang berlaku.

Menurut mekanik kuantum, setiap zarah dapat menunjukkan dua jenis momentum sudut. Yang pertama adalah momentum sudut orbital, dan yang kedua adalah putaran. Analogi kasar untuk kedua-dua tindakan tersebut adalah planet yang berputar di sekeliling matahari, memperlihatkan kedua orbit dan putaran paksi.

Apabila suatu sistem telah mencapai satu siri berputar kuantum berinteraksi, ia dianggap berada dalam keadaan teratur dengan cara yang sama cecair air bercelaru apabila dibandingkan dengan ais pepejal. Cecair spin kuantum mempunyai kelakuan yang sama, tetapi pada suhu rendah. Daripada datang bersama-sama dalam corak seragam, seperti membawa bahan-bahan bersama dalam keadaan pepejal, sebilangan bahan yang ada di spin cecair kuantum akan terus bertindak secara tidak sengaja seperti keadaan kek yang panas. Malah, aktiviti ini sangat melampau bahawa zarah sebenarnya runtuh. Ia adalah adegan yang bertentangan dengan apa yang anda jangkakan dalam persekitaran yang sejuk.

Dalam kes ini, pasukan penyelidik melihat zarah fractional yang dikenali sebagai fana Majorana dalam bahan dua dimensi yang serupa dengan graphene. Apa yang mereka perhatikan adalah serupa dengan model cecair kuantum spekulasi kuantum yang dikenali sebagai model Kitaev. Hasilnya akhirnya mengakhiri pencarian selama 40 tahun untuk keadaan ini.

Lebih khusus lagi, pemerhatian cecair kuantum spin baru menyerlahkan kepada sebuah hartanah yang dikenali sebagai pemecahan elektron, yang dapat membantu satu hari untuk membina komputer kuantum baru yang berfungsi dengan lebih cepat daripada mesin hari ini dengan melangkau had bahan konvensional.

Kejayaan itu adalah dekad ke masa depan. Tetapi hakikat bahawa kita dapat melihat keadaan baru dalam daging adalah satu lagi tanda bahawa manusia masih belum menggaru permukaan dalam memahami bagaimana dunia semulajadi berfungsi.